COMPORTAMIENTO MEC NICO DIN MICO DE PEL CULAS COMESTIBLES A BAJAS TEMPERATURAS. INFLUENCIA DEL CONTENIDO DE SORBATO Y GRADO DE ACIDEZ

CONGRESO CONAMET/SAM 2004
COMPORTAMIENTO MECÁNICO DINÁMICO DE PELÍCULAS
COMESTIBLES A BAJAS TEMPERATURAS. INFLUENCIA DEL
CONTENIDO DE SORBATO Y GRADO DE ACIDEZ
Lucía Famá1, 3, Silvia Flores2, 4, Ana M. Rojas2, Silvia Goyanes1, 5, Lía Gerschenson2, 5
1
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Física.
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Departamento de Industrias.
Ciudad Universitaria, (1428) Buenos Aires- Argentina.
3
Becaria Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina (CONICET).
4
Becaria Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT).
5
Miembro del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina
(CONICET). [email protected] ; [email protected]
2
RESUMEN
Se estudió el comportamiento mecánico dinámico, a temperaturas por debajo de 0°C, de películas
alimenticias de distinto pH, conformadas por almidón de mandioca, glicerol (plastificante), agua y diferentes
porcentajes de sorbato (agente antimicrobiano). Se evaluó el contenido de humedad de las películas por
secado a 70ºC y la fracción cristalina mediante rayos X. Utilizando un analizador mecánico dinámico se
obtuvo la dependencia con la temperatura, contenido de sorbato y pH, del módulo de almacenamiento y de la
tangente de pérdida para las diferentes películas estudiadas, analizando, en todos los casos, las transiciones de
fase. Los resultados obtenidos fueron interpretados en función del contenido de humedad, fracción cristalina
y de la respuesta térmica del glicerol y glicerol - almidón.
Palabras claves: Películas comestibles, almidón de mandioca, sorbato de potasio, propiedades mecánico
dinámicas.
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente los consumidores exigen alimentos
preservados que sean lo más parecido posible a los
frescos y de larga duración. Uno de los factores de
preservación en plena investigación, es el de las
películas comestibles [1]. Estas películas han sido
desarrolladas con el fin de extender la vida útil de los
productos alimenticios o enriquecerlos [2, 3]. Pueden
usarse como soporte de agentes antimicrobianos,
antioxidantes o nutrientes tales como vitaminas y
minerales, como portadoras de otros aditivos o para
enlentecer la migración de humedad y lípidos o el
transporte de gases y solutos. Ellas deben poseer
propiedades mecánicas que garanticen la adecuada
adhesividad a los alimentos y manipuleo de ellos sin
deterioro de las mismas y, además, deben ser
totalmente neutras con respecto al color, tacto y olor
del alimento. Un punto crítico a estudiar es el
comportamiento mecánico de las películas
comestibles a bajas temperaturas, dado que muchos
alimentos usan las bajas temperaturas como un factor
de conservación. Los almidones son hidrocoloides
comúnmente utilizados para la formulación de estas
películas. Junto con ellos, es habitual la adición de
agentes antimicrobianos como el sorbato de potasio o
el benzoato de sodio con el fin de prevenir el
crecimiento de microorganismos. Los almidones
pueden interactuar con dichos aditivos
y esa
interacción podría afectar las propiedades funcionales
de los polisacáridos.
El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de la
concentración de sorbato y de la acidez del sistema en
las propiedades mecánico dinámicas, a temperaturas
por debajo de 0ºC, de películas compuestas por
suspensiones de almidón de mandioca y glicerol.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1 Preparación de las muestras
Se fabricaron películas a partir de una suspensión
acuosa de almidón de mandioca (5 % p/p), glicerol
(2,5 % p/p) y sorbato. El contenido inicial de sorbato
fue de 0 % (p/p) o de 0,2 % (p/p) (correspondiente a
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2000 ppm, partes por millón). En ambos casos, se
agregó la cantidad de agua necesaria para completar el
100% del sistema y el pH fue ajustado a 6,7 ó 5,0 con
solución acuosa (50% p/p) de ácido cítrico.
La suspensión fue tratada térmicamente a fin de
gelatinizarla empleando una rampa de calentamiento
de 1,6ºC/min hasta llegar a 70-75ºC aproximadamente
(5 % mayor a la temperatura de gelatinización). Se
desgasificó la mezcla al vacío y se volcó el gel sobre
placas de vidrio. Se realizó un primer secado en estufa
con circulación de aire a 52ºC durante dos horas.
Luego se las colocó en una cámara a 25ºC durante 7
días. Finalmente, las muestras se equilibraron sobre
una solución saturada de NaBr (actividad de agua, aW
≅ 0.575) a 25ºC antes de caracterizarlas.
Las muestras utilizadas para los ensayos mecánicos
fueron cortadas en cintas de 29 mm x 5 mm.
2.2 Dosaje de sorbato de potasio
Se determinó el tenor de sorbato de potasio de las
muestras, realizando la destilación por arrastre con
vapor del compuesto, seguida de su oxidación con
dicromato y reacción con ácido tiobarbitúrico [4].
Las determinaciones se realizaron por duplicado y se
informa el promedio de los resultados obtenidos.
estimarse por el área por encima de la curva
envolvente [5].
2.5 Caracterización mecánica
Las propiedades mecánico dinámicas fueron
determinadas usando un analizador mecánico
dinámico (Rheometric, DMTA IV). Se realizaron
ensayos en el modo tracción a 1 Hz, entre -90ºC y
20ºC, a una velocidad de 2ºC/min. Se obtuvo la
dependencia con la temperatura y contenido de
sorbato, del módulo de almacenamiento (E’) y de la
tangente de pérdida (Tan δ), para las diferentes
composiciones estudiadas.
2.6 Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)
Se realizaron ensayos de Calorimetría Diferencial de
Barrido usando un calorímetro Mettler Toledo
Schwerzenbach, con el fin de caracterizar el
comportamiento del glicerol y almidón, constituyentes
de las películas. Todos los ensayos fueron realizados
entre -130ºC y 130ºC, a una velocidad de
calentamiento de 10°C/min (doble barrido) colocando
alrededor de 10 mg de muestra en una cápsula de
aluminio. Se analizó la transición vítrea (Tg) del
segundo barrido con el programa Mettler Stare.
2.3 Determinación de la humedad
Para la determinación de la humedad de las muestras,
se sometió un gramo de las mismas a calentamiento a
70°C en estufa de vacío hasta peso constante [4]. El
peso de dichas muestras se evaluó diariamente durante
un período de tres semanas, aproximadamente. El
criterio seguido para decidir sobre la constancia del
peso fue el cambio aleatorio del mismo a nivel de
milésimas de gramo.
Para asegurar la sorción de la humedad desprendida en
la estufa de vacío, se utilizó Cloruro de Calcio (CaCl2)
como desecante.
Las determinaciones se realizaron por duplicado y se
informa el promedio de los resultados obtenidos.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
2.4 Difracción por Rayos X
Contenido pH
inicial de
sorbato
[ppm]
El análisis de difracción por rayos-X de las películas
alimenticias, se realizó con un difractómetro Philips
con goniómetro vertical (PW1510) (radiación Cu Kα ,
λ = 1542 Å y filtro de Ni). La operación fue realizada
a 40 kV. y 30 mA., con constante de tiempo de 1 seg.
El barrido de las muestras se realizó entre 3° y 33°
(2 θ), con una velocidad de 1°/min.
Se reportaron las fracciones amorfa y cristalina de
cada sistema tomando como 100 % a la región
formada por una línea de base desde los 12° hasta 25°
(2 θ). La zona amorfa de las muestras se puede
estimar por el área encerrada entre una curva
envolvente dibujada sobre la base de los picos
cristalinos, y la línea de base que se extiende desde los
12° hasta 25° (2 θ). La fracción cristalina puede
La Tabla I muestra, a temperatura ambiente, la
concentración de sorbato, contenido de humedad y
fracción cristalina, de las películas estudiadas, luego
de dos semanas de la gelatinización.
Tabla I. Concentración de sorbato, contenido de
humedad y fracción cristalina, para las diferentes
películas estudiadas. Evaluadas a las 2 semanas de la
gelatinizaciòn y a temperatura ambiente.
Contenido de
sorbato [ppm,
base seca] de
las películas
Contenido de
agua
[g. de H2O / 100
g. de masa seca]
Fracción
cristalina
[%]
6,7
--------
25,4 ± 4,4
34,4
5,0
--------
27,2 ± 2,3
34,4
6,7
(329 ± 44)102
38,0 ± 2,0
22,2
5,0
(270 ± 27)102
37,8 ± 1,2
25,6
0
2000
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
En las Figuras 1 a) y b) se muestra la dependencia con
la temperatura que presentan E’ y Tan δ,
respectivamente, para las películas estudiadas con pH
6,7.
En la curva de la Tangente de pérdida (Figura 1 b)),
pueden observarse dos picos: uno, muy importante,
alrededor de -60ºC; y otro, ancho y de baja intensidad,
entre -30ºC y -15ºC. La relajación molecular
observada alrededor de -60ºC puede verse reflejada en
la importante caída del módulo de almacenamiento en
ese rango de temperaturas (Figura 1 a)).
La Figura 2 muestra la dependencia con la
temperatura que presenta Tan δ, para las películas
estudiadas con pH 5.
0.4
Contenido de sorbato
0 ppm
2000 ppm
0.3
Tan δ
Las películas al constituirse y, por lo tanto, perder
parte de su contenido de agua, sufren una aumento en
su concentración de sorbato de potasio, resultando su
valor, a las dos semanas, mayor que el inicial.
Como puede observarse en la Tabla I, el contenido de
humedad de las películas depende de la presencia del
agente antimicrobiano, sorbato de potasio. Las
muestras con concentración inicial de 0,2 % de
sorbato, retienen más agua que las películas sin
sorbato. Es decir que el agregado de sorbato genera un
aumento en la cantidad de agua retenida por las
películas. El cambio del pH no afecta
significativamente el contenido de humedad de las
películas estudiadas.
La Tabla 1, también muestra que, con la incorporación
de sorbato en las películas, disminuye la fracción
cristalina de las mismas. La fracción cristalina de las
películas de pH 5,0 conteniendo sorbato, es levemente
mayor que la observada para muestras con pH 6,7.
0.2
0.1
Contenido de Sorbato
0 ppm
2000 ppm
3
E' (MPa)
6x10
-80
a)
-60
-40
-20
0
20
T (°C)
Figura 2. Dependencia con la temperatura de Tan δ,
para películas con pH 5. Evaluadas a las 2 semanas
de la gelatinización.
3
4x10
3
2x10
0
-80
-60
-40
-20
0
20
T (°C)
0.4
Contenido de sorbato
0 ppm
2000 ppm
b)
Tan δ
0.3
0.2
0.1
-80
-60
-40
-20
0
20
T (°C)
Figura 1. Dependencia con la temperatura: a) de E’ y
b) de Tan δ, para películas con pH 6,7. Evaluadas a las
2 semanas de la gelatinización.
De acuerdo con Standing y col. [6], el glicerol tiene su
transición vítrea en -78ºC. Otros investigadores
reportan la Tg del glicerol en -93ºC [7, 8]. Siguiendo a
Wilhelm y col. [9], en un almidón plastificado con
glicerol se encuentran 2 relajaciones: una en -74ºC y
la otra en 188ºC; las cuales son atribuidas a una
miscibilidad parcial del glicerol en el almidón. Estos
autores, atribuyen la transición vítrea observada en
-74ºC a una zona rica en glicerol, mientras que a la
otra, la asocian a una zona rica en almidón.
Mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) se
estudiaron las transiciones que presentan el glicerol y
el almidón. En la Figura 3, se pueden observar los
termogramas correspondientes a glicerol (Figura 3 a))
y a glicerol con almidón (Figura 3 b)). Este
termograma concuerda con los resultados de Wilhelm
y col. [9], mostrando que el almidón y el glicerol son
al menos parcialmente miscibles, existiendo una zona
glicerol-almidón en donde el material mayoritario es
el glicerol, el cual presenta una Tg en ≅ -68,4ºC.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
0
Endotermia (mW)
a)
-5
S
-95°C
-10
-100
-80
-60
-40
-20
1
b)
0
-1
S
-68.4°C
-2
-100
-80
-60
-40
-20
materiales que presentan transiciones más marcadas,
son menos cristalinos [10].
En las Figuras 4 a) y b) se muestra la fracción
cristalina para cada concentración de sorbato y pH
estudiado y la dependencia de Τan δ con la
temperatura entre -50ºC y 20ºC, respectivamente.
Como se puede observar en dichas figuras, el ancho
del pico observado entre -30ºC y -15ºC está altamente
vinculado con la fracción cristalina de las muestras.
El pico entre -30ºC y -15ºC tiende a desaparecer en
las películas sin el antimicrobiano (Figura 4 b), lo que
es consistente con la determinación realizada por
Rayos X acerca de la menor cristalinidad de las
películas conteniendo sorbato.
T (°C)
36
En la Figura 1 b) también puede observarse que la
incorporación de sorbato en las películas comestibles,
desplaza la posición del pico de transición vítrea (Tg)
de la zona glicerol-almidón rica en glicerol hacia
temperaturas menores. Este mismo efecto se observa
en el módulo de almacenamiento (Figura 1 a)): parece
haber un desplazamiento de la curva de E’ hacia
temperaturas menores, causado por la incorporación
de sorbato. Dado que es conocido que el agregado de
plastificantes produce un corrimiento de la Tg hacia
menores temperaturas [10], la tendencia comentada
podría deberse al efecto plastificante del sorbato o a
que, al menos, el mismo estaría formando parte de la
fase que está relajando en las películas alimenticias,
afectando así la Tg.
La Figura 2 muestra un comportamiento similar a lo
observado en el caso de las muestras con pH 6,7, para
las pelìculas con pH 5: el pico asociado a la relajación
del complejo glicerol-almidón parece desplazarse
hacia menores temperaturas (Tg ≅ –62 °C) y hacia
mayores valores de Tan δ con la presencia de sorbato.
Estos resultados muestran que el comportamiento de
Tan δ no es afectado por el cambio de pH, lo cual
indicaría que el agregado de ácido cítrico no modifica
las propiedades mecánico dinámicas, en el rango de
temperaturas cercanas a la transición vítrea asociada al
complejo glicerol-almidón
Los picos medidos con el DMTA corresponden a
relajaciones de la parte amorfa del material. La
presencia de cristalinidad ensancha los picos e
inclusive puede llegar a ocultarlos. Por lo tanto, los
Fracción cristalina (%)
Aplicando las ideas de Wilhelm y col. [9] a los
resultados de la Figura 1 b), la relajación observada
alrededor de -60ºC, puede atribuírsele a la transición
vítrea y correspondiente relajación molecular de una
zona parcialmente miscible glicerol-almidón, rica en
glicerol.
pH 6,7
pH 5
a)
33
30
27
24
21
0
2000
Contenido inicial de sorbato (ppm)
0.4
b)
0.3
Tan δ
Figura 3. DSC: a) glicerol (25%). b) glicerol (2.5%) y
almidón (5%).
0.2
0 ppm, pH 6,7
2000 ppm, pH 6,7
0 ppm, pH 5
2000 ppm, pH 5
0.1
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
T (°C)
Figura 4. a) Fracción cristalina obtenida mediante
RX; b) Dependencia de Τan δ con la temperatura
medida con el DMTA.
Es sabido que el aumento de la fase cristalina de un
material semicristalino está altamente vinculado con la
disminución del contenido de humedad del mismo. La
incorporación de sorbato de potasio en las películas
estudiadas produce una disminución en la cristalinidad
y un aumento en el contenido de agua de las mismas
(Tabla 1). Las consecuencias del agregado de sorbato
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en las propiedades mecánicas ya reportadas mostrarían
que el mismo, incorporado en películas comestibles
como agente antimicrobiano, actuaría como un
plastificante [10, 11] per se o por su efecto en el
aumento del contenido de humedad de las películas.
El valor de la temperatura de transición vítrea de los
polímeros se ve seriamente afectada por los cambios
en el contenido de humedad ya que el agua actúa
como un diluyente o plastificante, disminuyendo la
temperatura de transición vítrea [11, 12, 13]. La
bibliografía muestra que cuanto mayor es el contenido
de humedad, los picos de las transiciones vítreas
sufren un corrimiento hacia menores temperaturas y se
observan mayores valores de tangente de pérdida, en
consonancia con nuestras observaciones.
En la Figura 4 b), también puede observarse que el
pico entre -30ºC y -15ºC se vuelve menos intenso con
la disminución del pH. Este comportamiento puede
vincularse, nuevamente, con los resultados obtenidos
mediante difracción por RX (Figura 4 a)), donde la
fracción cristalina para las muestras con pH 5 resulta
levemente mayor que para las películas con pH 6,7.
4. CONCLUSIONES
Los resultados obtenidos en la caracterización de las
películas comestibles basadas en almidón de
mandioca, agua y glicerol mostraron que, con la
incorporación de sorbato como agente antimicrobiano,
las películas presentan un menor grado de
cristalinidad, para cada pH estudiado. Una
consecuencia importante de este hecho, es que
aumenta el contenido de humedad de dichas películas.
Este aumento se ve reflejado en las propiedades físicas
de la siguiente manera: con el agregado de sorbato, la
Tg sufre un corrimiento hacia menores temperaturas,
aumentando el rango de temperatura de la transición.
Este comportamiento mostraría que el sorbato,
incorporado en las películas comestibles como agente
antimicrobiano,
actuaría
como
plastificante,
potencialmente afectando el comportamiento de
dichas películas.
El agregado de ácido cítrico para disminuir el pH de
las películas resultó en un leve aumento de la
cristalinidad de las mismas. La modificación del pH
no produjo diferencias significativas en la Tg
correspondiente a la transición vítrea asociada al
complejo glicerol-almidón rico en glicerol. Sin
embargo, en el rango de temperaturas entre -30ºC y
-15ºC, se observa un cambio leve en el
comportamiento de la tangente al disminuir al pH, no
implicando ello un cambio significativo en las
propiedades mecánicas.
5. REFERENCIAS
[1] I. Arvanitoyannis y C. G. Biliaderis, “PHysical
propierties of polyol-plasticized edible blends
made of methyl cellulose and soluble starch”,
Carbohydrate Polymers, 38, 1999, pp. 47-58.
[2] R. Baker, E. Baldwin & M. Nisperos-Carriedo,
“Edible coatings and films for processed
foods”, In J. M. Krochta, E. A. Baldwin & M.
O. Nisperos-Carriedo, “Edible coatings and
films to improve food quality”. Technomic
Publishing Co., Inc., Lancaster, Pennsylvania,
USA, 1994, Cap 4.
[3] M. García, M. Martino & N. Zaritzky, “Starchbased coatings: effect on refrigerated
strawberry quality”, Journal of the Science of
Food and Agriculture, 76, 1998, pp. 411-420.
[4] Official Methods of Analysis. AOAC. Association
of Official Analytical Chemists. Washington,
DC: 13th ed. , 1990.
[5] M. A García, M. N. Martino y N. E. Zaritzky,
“Lipid Addition to Improve Barrier Propierties
of Edible Starch-based films and Coatings”.
Journal of Food Science, vol. 65, N° 6, 2000,
pp. 941-947.
[6] M. Standing, A. R. Westling & P., Gatenholm
“Humidity-induced structural transitions in
amYIose
and
amYIopectin
films”.
Carbohydrate Polymers 45, 2001, pp. 209-217.
[7] A. A. Ogale, P. Cunningham, P. L. Dawson y J. C.
Acton,
“Viscoelastic,
Thermal,
and
Microstructural Characterization of Soy Protein
Isolate Films”. Journal of food science, Vol.
65, N° 4, 2000, pp 672-679.
[8] G. Cherian, A. Gennadios y C. L. Weller,
“Termomechanical behavior of wheat gluten
films: effect of sucrose, glicerin, and sorbitol”.
Am. assoc. Cereal Chem. 72 (1), 1995, pp 1-6.
[9] H. M Wilhelm,. M. R. Sierakowski, G. P. Souza,.
Y F. Wypych, “Starch films reinforced with
mineral clay”. Carbohydrate Polymers 52,
2003, pp. 101-110.
[10] R. P. Chartoff, “Thermal Characterization of
polymeric materials”. Edited by E. A. Turi,
EEUU, by Academic Press., Vol 1, 1981, Cap.
3, pp. 531-543.
[11] H. E Bair, “Thermal Characterization of
polymeric materials”. Edited by E. A. Turi,
EEUU, by Academic Press., Vol 2, 1981, Cap.
10, pp. 2330-2338.
[12] G. D. Valle, A. Buleon, P. J. Carreau, P. A.
Lavoie y B Vergnes,. “Relationship between
structure and viscoelastic behavior of
plasticized starch”, by The Society of
Rheology, Inc. J. Reol, 42 (3), 1998, pp. 507525.
[13] P. Chang, P. B Chea, y C. C. Seow,
“Plasticizing-Antiplasticizing Effects of Water
on PHysical Properties of Tapioca Starch Films
in the Glassy State”. Journal of Food Science,
vol. 65, N° 3, 2000, pp. 445-451.
CONGRESO CONAMET/SAM 2004
6. AGRADECIMIENTOS
Deseamos agradecer el apoyo financiero de la
Fundación Antorchas, Universidad de Buenos Aires,
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Técnicas de la República Argentina (CONICET),
Agencia Nacional de Promoción Científica y
Tecnológica de la República Argentina (ANPCyT).